Exotische neue Materialien – inspiriert von der Pflanzenwelt
Bei der Entwicklung der nächsten Generation synthetischer Materialien lässt sich nun ein Forschungsteam erneut von der Natur inspirieren. Pflanzen sind kompliziert aufgebaute und leistungsfähige Gebilde mit vielfältigen Elementen, die wichtige Aufgaben erfüllen, damit der Erfolg des Organismus gesichert ist. Bei der als Kutikula bekannten äußersten Schicht handelt es sich zum Beispiel um ein intelligentes Polymer-Verbundmaterial, das die Regulierung der Wasserdurchlässigkeit bzw. des Schutzes steuert, strukturbedingte Farben sowie entweder glatte, reibungsarme oder klebrige Oberflächen bildet. Diese beeindruckenden Eigenschaften finden dank der Innovationskraft von Forschenden, die im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert werden, Eingang in neue Materialien zum Nutzen des Menschen. Das Projekt PlaMatSu hat diese Merkmale untersucht, um innovative neue Werkstoffe zu entwickeln. Dabei wurden zwei Hauptziele verfolgt. Zum einen ging es darum, anhand der Analyse der Struktur und der Funktionen der pflanzlichen Kutikula die in Bezug auf die Entwicklung neuer Materialien bestehenden aktuellen Herausforderungen anzugehen. Andererseits beschäftigte sich das Projekt mit der Weiterbildung der nächsten Generation des wissenschaftlichen Nachwuchses, d. h. damit, Neulinge in der Umwandlung biologisch inspirierter Wissenschaft in Innovation zu schulen. „Ziel von PlaMatSu war die Entwicklung neuer funktionaler Materialien und Oberflächen, die von der Struktur, der Funktion und den Arbeitsprinzipien der pflanzlichen Kutikula inspiriert sind“, berichtet PlaMatSu-Koordinator Nico Bruns, Professor für Makromolekulare Chemie an der Universität Strathclyde in Glasgow.
Was wir von den Pflanzen lernen können
PlaMatSu sammelte neues Grundlagenwissen über die Entwicklungsfaktoren und genetischen Grundlagen der Struktur der pflanzlichen Kutikula. Das Forschungsteam fand heraus, dass es sich um ein multifunktionales, hierarchisch strukturiertes Material handelt. Zum Projektteam zählten Forschende der Fachgebiete Biologie, Chemie und Physik, die unter anderem die strukturbedingten Farbeigenschaften der Kutikula untersuchten. „Meine Lieblingsergebnisse sind der umweltfreundliche Glitter auf der Grundlage von Zellulose-Nanokristallen und die Untersuchungen dazu, wie die Topologie der Pflanzenoberfläche die Anhaftung von Insekten beeinflusst“, betont Bruns. In einem Artikel im Scientific American wurde über die Rolle der Blattoberflächen bei der Abwehr von Insekten berichtet. Die Forschenden nutzten alles, was sie aus der Analyse der Pflanzenstrukturen gelernt hatten, und erschufen anschließend neuartige synthetische Materialien mit ganz ähnlichen Eigenschaften.
Neue Bionikfachleute heranreifen lassen
Der zweite Projektstrang umfasste die Ausbildung des Forschungsnachwuchses. PlaMatSu bildete insgesamt neun Nachwuchsforschende auf Doktoratsebene auf dem Gebiet der biologisch inspirierten Materialien und Oberflächen aus. Wie Bruns darlegt, war dies die perfekte Gelegenheit, um ambitionierten Forschungsnachwuchs von international renommierten Fachleuten für biologisch inspirierte Werkstoffe betreuen zu lassen. Die Nachwuchsforschenden haben inzwischen ihre wissenschaftliche Arbeit abgeschlossen und beenden nun ihre Promotionen. Bald werden sie vollständig ausgebildet und bereit dafür sein, vielversprechende Karrieren in der akademischen Welt und in der Industrie einzuschlagen. „Mit den EU-Geldern konnte eine internationale Promotionsschule an der Spitze der Erforschung der biologisch inspirierten Materialien realisiert werden“, fügt Bruns hinzu.
Forschung kommunizieren
Das Projekt PlaMatSu hat eine Vielzahl von Anstrengungen unternommen, um seine Forschungsarbeit zu kommunizieren. Dazu gehörte die Veröffentlichung von Studien in renommierten Fachzeitschriften wie zum Beispiel Advanced Materials, einer der führenden wissenschaftlichen Publikationen auf dem Gebiet der Werkstoffforschung. Die Nachwuchsforschenden organisierten zudem eine Ausstellung mit dem Titel „Our Future is Nature Inspired“ (Unsere Zukunft – inspiriert von der Natur), die von September bis November 2020 im Botanischen Garten der Universität Cambridge stattfand. Einige der Forschenden wurden in der Fernsehsendung BBC Look East interviewt und diskutierten dort über ihre Forschung. Die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Forschungsgruppen wird nun fortgesetzt, und die im Vereinigten Königreich ansässigen Teams arbeiten daran, im Vereinigten Königreich ein Forschungszentrum für biologisch inspirierte Materialsysteme aufzubauen. Gegenwärtig arbeiten sie auf einen großen Antrag auf die Gewährung von Finanzhilfen hin.
Schlüsselbegriffe
PlaMatSu, Pflanze, Kutikula, Werkstoff, Material, innovativ, exotisch, inspiriert, biologisch, Wissenschaft, Weiterbildung